Industri Prozesuen Automatizazioa

Sarrera: Kontrol Sistemak

2

Edukiak Helburuak Irakasgaia eta Titulazioa Kontzeptuak

Definizioak Adibidea: Maila kontrol sistema Prozesuen kontrol sistemak Planta, prozesu eta sistema Sistemaren aldagaiak Kontrol sistemaren aldagaiak

Begizta irekia vs. Begizta itxia Kontrol berrelikatua Begizta irekiko kontrola Begizta itxiko kontrola Kontrol automatikoari lotutako arazoak Kontrol begiztaren osagaiak Adibideak

Kontrol diseinuaren etapak Prozesuen kontrola teknologia digitalaz

3

Helburuak

Sistemaren kontzeptua Kontrol Sistema Begizta irekia vs. Begizta itxia Kontrol Sistema baten osagaiak Eskuz egindako kontrola vs. Kontrol

automatikoa Kontrol Sistema baten etapak

4

Irakasgaia eta Titulazioa "Industria Antolakuntzan Ingeniaritza" titulazioaren helburuak

(http://ingenierosbilbao.com/fondo/euskera/estudios/organizacion_industrial/doc/organizacion_industrial.pdf):

Goi teknikariak enpresa egituraren eta kudeaketaren inguruko alderdi guztiak oso ondo ezagutzea. Formazio horri esker, goi teknikaria gai izango da edozein egituratan eskasak izaten diren baliabideak ahalik eta ondoen aprobetxatzeko: Ekoizpen eta logistika eragiketak zuzentzea Kudeaketa teknikoa eta administratiboa Metodoak arrazionalizatzea, normalizatzea eta hobetzea Kalitatea kudeatzea eta hobetzea Proiektuak planifikatzea eta kudeatzea Finantza eta giza baliabideak kudeatzea Sistemen funtzionamendua eta diseinua hobetzea, metodo kuantitatiboen bidez

5

Irakasgaia eta Titulazioa "Industria Prozesuen Automatizazioa" irakasgaiaren helburuak (

http://ingenierosbilbao.com/fondo/euskera/estudios/organizacion_industrial/doc/organizacion_industrial.pdf):

Ikasleari azaltzea prozesuen automatizazioaren eta industria kontrolaren oinarrizko kontzeptuak. Helburu partzialak:

1. Ikaslea trebatzea oinarrizko sistementzat kontrol-sistemak modelatu,analizatu eta diseinatzeko gai izan dadin. Horregatik, irakasgaiaren parte batean etenik gabeko kontrol-sistema linealak aztertzen dira

2. Ikasleari aurkeztea industria prozesuak automatizatzeko erabiltzen diren gailu eta teknologiak (kontrolagailuak, sentsoreak, aktuadoreak, etab.). Gainera, simulazio praktikek ikasleari laguntzen diote ikasturtean ikasitako kontzeptu guztiak; eta programazio praktikek, berriz, eskalan egindako sistema txikien softwarea gehiago ezagutzea ahalbidetzen dute.

6

Kontzeptuak / Definizioak

Automatika. Aurretik programatutako lan fisiko edo buru-lan baten exekuziorako, gizalangilea sistema artifizial batekin ordezkatu nahi duen diziplina (metodo eta prozedurak). Automatizazioa. Automatikaren erabilera eginkizun zehatz

baterako

Kontrola. Aldagai edo parametro multzo bat denborarekiko eboluzio zehatz bat, aurretik definitutakoa, lortzeko metodoak. Kontrol Sistema Automatikoa Kontrol helburua bete

ahal izateko behar den elementu multzoa.

7

Burmuina Ur-tangaGiharrak /Balbula

Begiak

Kontrolagailua Ur-tangaBalbula

Flotagailua

Eskuz egindako kontrola

Kontrol automatikoa

Flotagailua

Kontrolagailua

Balbula

Langilea

Balbula

Kontzeptuak / Adibidea: Maila kontrol sistema

8

Langileak

Kontrol-Sistema

Planta / Prozesua

Langileek kontsignak ezartzen dituzte (sistemarako nahi den portaera)

Kontrol-Sistemak algoritmoak inplementatzen ditu ezarritako kontsignak bete ahal izateko

Planta edo prozesua da kontrolatzeko sistema

Kontzeptuak / Prozesuen Kontrol-Sistemak

9

Kontzeptuak /Planta, Prozesu eta Sistema Planta. Makina baten atal bat edo makina barruan

elkarrekin funtzionatzen duten elementu multzo bat da, eginkizun zehatz bat burutzeko helburu duena. ‘Planta’ esango diogu kontrolatuko dugun edozein objektu fisikori.

Prozesua. Emaitza edo helburu jakin batera daraman urraskako gertaera edo eragiketen segida. ‘Prozesu’ esango diogu kontrolatuko dugun edozein lanari.

Sistema. Elkarrekin helburu zehatz bat betetzen duten osagai konbinazioa.

SistemaSarrerak Irteerak

Kanpoko perturbazioak

10

Kontzeptuak / Sistemaren aldagaiak Sarrera aldagaiak (ui). Kanpotik sistemari eragiten dioten

aldagaiak. Aukerakoak dira. Irteera aldagaiak (yi). Sistemaren erantzuna deskribatzen

duten aldagaiak. Perturbazioak (zi). Sistemaren irteerari negatiboki eragiten

dioten aldagaiak. Beren eragina kontrolatugabea da. Barrukoak ala kanpokoak izan daitezke.

Egoera aldagaiak (xi). Sistemaren aldagai multzo minimoa. Beren baloreak momentu zehatz batean ezagututa, sistemaren erantzuna kalkula daiteke edozein sarrera edo/eta perturbazio seinalerako.

Sistema

u1u2

un

...

...

y1y2

ym

z1 z1 zp

. . .

x1 x2 xq

. . .

11

Kontzeptuak / Kontrol Sistemaren aldagaiak Kontrol helburua = Erreferentzia. Aurretik ezagututako era

batez aldatzen den magnitudea. Kontrolatutako aldagaia. Neurtu eta kontrolatu egiten den

magnitudea. Normalean kontrolatutako aldagaia sistemaren irteera da.

Eragindako aldagaia = Kontrol ekintza. Kontrolagailuak aldatzen duen magnitude edo baldintza kontrolatutako aldagaian eragiteko. Prozesuaren sarrerak dira.

Kontrolatzea zera da: aldagai kontrolatuaren balorea neurtu eta kontrol ekintza egokia sistemari aplikatu helburuko eta

neurtutako baloreen arteko aldea murrizteko.

Kontrol Sistema

ProzesuaSarrerak Irteerak

Perturbazioak

Kontrolhelburua

12

Begizta Irekia vs. Begizta Itxia

Kontrolagailua ProzesuaSistemaren

Sarrera

SistemarenIrteera

Kanpoko Perturbazioa

Erreferentzia

Kontrolagailua ProzesuaSistemaren

Sarrera

SistemarenIrteera

Kanpoko Perturbazioa

ErreferentziaErrorea

Begizta Irekiko Kontrol Sistema

Begizta Itxiko Kontrol Sistema

13

Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol berrelikatua Kontrol berrelikatua. Irteera eta erreferentzia sarreraren

arteko erlazio jakin bati eusten dio, hauek alderatuz eta euren arteko aldea kontrolagailuari elikatuz.

Eskuz vs. Automatikoki egindako kontrola. Eskuz: Langileak erabakiak hartu eta ekintzak burutu egiten ditu Automatikoki: Gizalangileren bitartekaritza barik erabakiak eta

ekintzak burutzen dira. Osagai hauek behar dira: sentsoreak, transmisoreak, kontrolagailua eta eragingailuak

Kontrolagailua PlantaEragingailua

Sentsorea /Transmisorea

Lortu nahiden balorea

+

-

Errorea

Kontrolekintzak

Kontrolatzekoaldagaia

Neurtutako baloreak

14

Begizta Irekia vs. Itxia / Begizta irekiko kontrola

Plantaren oso eredu zehatza behar da, bestela: Doitasun txikia Fidagarritasun txikia

Ez ditu kontuan izaten plantan egon daitezkeen aldaketak Ez ditu kontuan izaten ingurunean egon daitezkeen aldaketak Adibidea: termostatorik gabeko berokuntza-galdara

Kontrolagailua PlantaSarrera

r(t)Irteera

y(t)

15

Begizta Irekia vs. Itxia / Begizta itxiko kontrola

Irteeraren berrelikadura sartzeko osagaiak: Sentsoreak, irteera seinalea neurtzeko Konparatzailea: Irteera eta sarrera seinaleen arteko

aldea kalkulatzen du Sistemaren portaera hobea da…:

Perturbazioen aurrean Plantaren eredua oso zehatza ez denean Sarrera seinalea denborarekiko aldakorra denean

Adibidea: termostatoa duen berokuntza-galdara

Kontrolagailua PlantaEragingailua

Sentsorea

Sarrerar(t)

Irteeray(t)

+

-

Errorea

16

Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol automatikoari lotutako arazoak Prozesua desegonkor dezake Egoera iraunkorreko erroreak ager daitezke Kontrol sistema egokien diseinurako kontuan izan:

Portaera dinamikoa Abiadura Doitasuna prezioa

Kontrol ekintzak aukeratu: Kontrol sekuentziala Kontrol algoritmoak (PIDak, iragartze-kontrol, kontrol

moldakorra, sare neuronalak, fuzzy kontrola, etc) Erabiliko den teknologia aukeratu:

Sentsoreak eta eragingailuak Erreguladorea (mikro-kontrolagailuak, PLCak,

ordenagailuak,…)

17

Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol begiztaren osagaiak Sentsoreak

Dispositibo hauek neurtzen dituzte seinaleen baloreak: kontrolatu beharreko aldagaiak, perturbazioak, aldagai laguntzaileak (neurtzeko zailak diren beste batzuk ezagutzeko),…

Neurketa egiteko fenomeno fisiko batez baliatzen dira, fenomeno honen magnitudea neurtzen denarekin lotuta dagoelarik Tenperatura: termopareak Indarra: eraztun dinamometrikoak Emaria: xafla zulatuak Posizioa: kodetzaileak

Transmisoreak. Fenomeno fisikoaren magnitudea seinale estandar bihurtzen du Seinale elektrikoa: Analogikoa (4-20 mA) (0-10V) – Digitala (10..12 bits) Seinale pneumatikoa (3-15 psi)

18

Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol begiztaren osagaiak Kontrolagailuak

Aldagai neurtuaren seinalea jasotzen du eta kontrol ekintza kalkulatzen du programatutako algoritmoaren arabera

Irteera eragingailuari bidaltzen zaio

19

Begizta Irekia vs. Itxia / Kontrol begiztaren osagaiak Eragingailuak

Prozesu aldagaia manipulatzen du kontrolagailuak kalkulatutako ekintzaren arabera

Kontrol seinalea magnitude estandar batean heltzen zaio Motak:

Emaria: Balbulak Posizioa: Zilindroak Elektrikoak: Erreleak Hidraulikoak: Ponpak

20

Begizta Irekia vs. Itxia / Adibidea: Begizta irekiko sistema

Ur-tangaren prozesua Ur-tanga bati heltzen zaio Qin baloreko emaria eta Qout

ateratzen da. Egoera iraunkorrean (orekara helduta) Qin=Qout eta tangaren ur-maila h da.

Sistemaren parametroak ezagututa (fluidoaren dentsitatea, tagaren zabalera, Qin,…) h ur-mailak balore jakin bat izango du

Begizta irekiko sistema Kontrol helburua. Ur-maila H balorea

izatea Kalkulatu Qin egoera iraunkorrean h=H

izateko Arazoak: Zer gertatuko da Qin emariak

perturbazio txikiak izaten baditu?

21

Begizta Irekia vs. Itxia / Adibidea: Begizta itxiko sistema Eskuz egindako kontrola

Langileak alderatzen du ur-tangaren maila eta helburukoa h > H balbula ireki h = H ezer ez egin h < H balbula itxi

Kontrol automatikoa Sentsorea h neurtzeko Kontrolagailua (alderatu eta

erabaki) Eragingailua (prozesuarengan

eragiteko)

22

Kontrol diseinuaren etapak Kontrol helburuak definitu

Egonkortasuna ziurtatu, funtzionamendu hoberena lortu,… Neur daitezkeen eta manipula daitezkeen aldagaiak identifikatu

Kontrol helburuko aldagaiak, gutxienez, neurtu behar dira Batzuetan perturbazio aldagaiak ere neurtzen dira. Batzuetan aldagai lagungarriak ere

kontrol algoritmo aurreratuak inplementatzeko Aukeratutako aldagaiek baldintzatzen dute lor daitekeen kontrol kalitatea

Kontrol sistemaren konfigurazioa Begizta sinpleak, begizta kateatuak,… Bikotekatu kontrolatzeko eta manipulatzeko aldagaiak

Kontrol eta monitore instrumentazioaren espezifikazioa Neurketa instrumentuak (sentsore eta transmisoreak) Kontrolagailuak Eragingailuak

Kontrolagailuen diseinua Kontrolagailuak sintonizatu behar dira (parametro egokienak aukeratu) eta horretarako

prozesuaren portaera dinamikoa ezagutu behar da Sistemaren EREDU sinple baten bitartez ikasten da benetako prozesuaren portaera

dinamikoa Ereduak sortzeko prozesuaren azpiko fenomeno fisiko-kimikoen ezagutza beharrezkoa

da.Fenomeno hauek erlazionatzen dituzte prozesuaren aldagaiak

23

MIrabiagailuaren

motorra

Berogailua

Berogailuarenerrelea

~Maila-sentsore 1

Maila-sentsore 3

Maila-sentsore 2

B2B1

B3

Tenperaturasentsorea

Ireki B1 maila 2 izan arte

Ireki B2 maila 3 izan arte

Nahastu 90 s Berotu tenperatura

75 ºC izan arte Itxaron

tenperatura 25 ºC izan arte

Ireki B3 maila 1 izan arte

Hasierara bueltatu

Adibidea: Kontrol sistema sekuentziala

24

qent(t)

qsal(t)

KontrolSistemaErreferentzia

h (t)

Berosarrera

Tªsentsorea

T (t)

Mailasentsorea

Adibidea: Aldagai anitzeko kontrol sistema

25

A/D eta D/A bihurtzaileen beharra Atzerapenak gehitzen dira (bihurketa denborak,

kalkuluak,…) Kontrol askoz konplexuagoak egin daitezke Kontrolagailu ezberdinen arteko komunikazioa

errazten da komunikazio sareen bidez

Sarrera

IrteeraOrdenagailua PlantaEragingailua

SentsoreaA/D

bihurtzailea

D/Abihurtzailea

Prozesu kontrola teknologia digitalaz

Sarreraren amaiera

27

Entornos industriales

Proceso defabricación

Energía

Mat. Primas

Pagos

Inv. CapitalSalarios y beneficios Trabajo

Productos

Pagos

Proveedores Clientes

28

Tipos de SistemasClasificación de Sistemas

N o c a u s a l e s

E s t á t i c o s

E s t o c á s t i c o s

P a r á m e t r o s d i s t r i b u i d o s

N o l i n e a l e s

V a r i a n t e s e n t i e m p o

D i s c r e t o s C o n t i n u o s

I n v a r i a n t e s e n t i e m p o

L i n e a l e s

P a r á m e t r o s c o n c e n t r a d o s

D e t e r m i n í s t i c o s

D i n á m i c o s

C a u s a l e s

T i p o s d e S i s t e m a s

29

Proceso

Comparación

Modelo

Fallos

Entradasdesconocidas

(perturbaciones)

Entradasconocidas(control)

Salidas reales Salidas estimadas

Residuos

ModeladoSistema Objeto, dispositivo o ente donde se manifiesta una relación de tipo causa-efecto

Modelo Matemático Dado que no es posible conocer las propiedades y el comportamiento de un sistema físico,

es necesario recurrir a un modelo matemático. El análisis del modelo matemático permitirá conocer las propiedades del sistema físico El modelo matemático se obtiene a partir de un conjunto de aproximaciones y

simplificaciones

30

Modelos matemáticos

Uso de modelos en todas las ramas de la ingeniería (Ej: Modelos a escala)

Estudian las características de un sistema real

Modelos físicos No representan la totalidad del sistema Modelos matemáticos (Una ecuación

diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales)

Simulan el comportamiento del sistema (Analíticamente o con un computador)

Se distingue el comportamiento en régimen transitorio y en régimen permanente

Simplicidad vs. Precisión Sistemas lineales, invariantes en el

tiempo y causales

31

ModeloModelo El concepto de modelo es central en la teoría de sistemas, ya que a partir de él es posible conocer las propiedades del sistema y abordar el diseño del controlador.

Tipos de Representaciones 1 ecuación diferencial de orden n n ecuaciones diferenciales de primer orden relación algebraica (aplicando la transformada de Laplace)

Atributos Precisión: refleje el comportamiento del sistema en el aspecto buscado Utilidad: susceptible de ser manejado con un cierto grado de facilidad

Clasificación Modelos Axiomáticos: se obtienen a partir de las ecuaciones físico-matemáticas del

sistema Modelos Empíricos: representan el conocimiento del sistema a través de relaciones

entrada-salida. Corresponde con la clásica representación mediante una caja negra

32

Modelado de plantas (Suspensión automóvil)

Masa Automóvil

(M/4)

P

m

bk

Xo

Xi

m xob xo−x i k xo−x i =0

33

Diferentes modelos para la suspensión

Masa Automóvil

(M/4)

P

m

bk

Xo

Xi

m xob xo− x i k xo−x i =0

Masa Automóvil

P

m1

bk1

Y

U

Rueda +amortiguador

m2

k2

X

m2 yb y−x k2 y−x =0m1 xb x−y k2 x−y k1 x−u t =0

Modelo 1

m1m2d4 ydt 4 bm1m2

d3 ydt 3 [k1 m1m1m2 k2 ]

d2 ydt2

k1bdydt

k1k2 y=k1 bdudt

k1 k2 u

Modelo 2

34

Modelado de plantas (Horno)

dθdt

B A θ=B HB A θa

Resistencia

Temperatura θ

Temperaturaambiente θa

Pérdida de calor= A (θ - θa) Entrada de

calor= H

35

Lazo abierto vs. Lazo Cerrado – Ejemplo II

Intercambiador de Calor

El sistema permite calentar un fluido mediante vapor de condensación

Objetivo: Calentar el fluido de temperatura Ti a temperatura TR

Funcionamiento: suponiendo que no hay pérdidas

Necesidad de un Sistema de Control Existen variables de proceso que pueden variar. Como resultado, T(t) se desviará de TR

Objetivo de Control Mantener T a TR independientemente de variaciones que puedan existir en Te, q(t), etc.

Variable controlada: T(t) Variable manipulada: Fv(t)Variable de referencia: TR Variable de perturbación: Te(t), q(t)

Energía cedida por el vapor = Energía absorbida por el fluido

36

Lazo abierto vs. Lazo Cerrado – Ejemplo II

Sistema en Lazo Cerrado

Control Manual

Control Automático

37

Intercambiador de calor

38

Intercambiador de calor: lazo abierto

39

Intercambiador de calor: lazo cerrado

40

Intercambiador de calor: Control anticipativo

41

Tm

Var. controladaPosición Valvula

(mA)

PerturbaciónTo (ºC)

u yp

Modelo ProcesoReal

(mA/mA)

To yd

Modelo PerturbaciónReal

(mA/ºC)

ªC

SISTEMA en LAZO ABIERTO

Tr – Referencia – 1º C

To – Perturbación – 3 º Ca los 5

s.

Estrategias de Control

42

Tm

Var. controladaPosición Valvula(mA)

PerturbaciónTo (ºC)

PID

PI

u yp

Modelo ProcesoReal

(mA/mA)

To yd

Modelo PerturbaciónReal

(mA/ºC)

ªCEstrategias de

Control

SISTEMA en LAZO CERRADO:

Control Realimentado PI

Tr – Referencia – 1º C

To – Perturbación – 3 º Ca los 5

s.

43

SISTEMA EN LAZO CERRADO: Control

realimentado y Control anticipativo

Tm

Var. controladaPosición Valvula

(mA)

PerturbaciónTo (ºC)

PID

PI

u yp

Modelo ProcesoReal

(mA/mA)

To yd

Modelo PerturbaciónReal

(mA/ºC)To uff

Controlanticipativo

ªC

Estrategias de Control

SISTEMA en LAZO CERRADO:

Control Realimentado PIControl Anticipativo

Tr – Referencia – 1º C

To – Perturbación – 3 º Ca los 5

s.

44

Sistema de Control en Lazo Cerrado

Controlador ProcesoSalida

del proceso

Perturbaciónexterna

refe

renc

ia

erro

rSelector de referencia

Accionador

Sensores

Señalde mando

salid

a de

con

trol

varia

ble

man

ipul

ada

variable realimentada

r e u

Perturbaciónexterna

zz

y

45

Sistema de control multivariable - Estación eléctrica

~

Controlador de presión

>

PT

Control de nivel

Caldera

BombaVálvula deadmisión

Turbina Generador

A la red eléctrica

Frecuencia

Sensor de presión Válvula de

regulación del vapor

Vapor

Agua